Kochany Synku, oto prawie cała historia odkrywania wyspowego Wszechświata

(ostatnia modyfikacja: 17.12.2015)

Klaudiusz Ptolemeusz, ok. 140, podsumował osiągnięcia astronomii starożytnej Grecji; w modelu geocentrycznym Ziemia stanowiła środek dla ośmiu koncentrycznych sfer z umieszczonymi na nich planetami, Słońcem, Księżycem i gwiazdami; uważał, że ruchy ciał niebieskich mogą być opisane z wykorzystaniem wzorów matematycznych; dzięki temu pozornie chaotyczne do tej pory ruchy ciał niebieskich mogły być obliczone, a ich położenie z dość dużą dokładnością przewidziane.
Mikołaj Kopernik, 1545, przekonany o tym, że geocentryczny model wszechświata nie jest słuszny, przyjął następujące założenia, które według niego prościej wyjaśnią obserwowane zjawiska astronomiczne: Założenie pierwsze: Nie istnieje jeden środek wszystkich sfer niebieskich; Założenie drugie: Środek Ziemi nie jest środkiem świata, lecz tylko środkiem ciężkości i sfery Księżyca; Założenie trzecie: Wszystkie sfery krążą wokół Słońca jako środka i dlatego w pobliżu Słońca znajduje się środek świata.
Tycho de Brahe, 1570-1601, gromadził dane obserwacyjne w celu rozstrzygnięcia o słuszności modeli Wszechświata (geocentrycznego lub heliocentrycznego).
Johannes Kepler, 1609, uznał w pełni heliocentryczną teorię Kopernika i na podstawie zbioru obserwacji Tychona de Brahe opracował teorię ruchu planet: planety poruszają się wokół Słońca ze zmiennymi szybkościami po eliptycznych orbitach
Galileo Galilei, 1610, wynikami swoich obserwacji potwierdził, że nie wszystkie ciała niebieskie krążą wokół Ziemi; ruch Ziemi nie pociąga za sobą żadnych katastrofalnych skutków, jest fizycznie możliwy i prawdopodobny.
Simon Marius, 1612, 15 grudnia, jako pierwszy obserwował przez teleskop Wielką Mgławicę w gwiazdozbiorze Andromedy.
Immanuel Swedenborg, 1734, zaproponował hipotezę „mgławicową”, zgodnie z którą Układ Słoneczny powstał poprzez kondensację wirującego obłoku pyłu i gazu; sądził że żyjemy w układzie gwiazdowym posiadającym spłaszczony kształt i własną, określoną dynamikę.
Immanuel Kant, 1755, sugerował, że wszechświat ma strukturę "wyspową", a tymi "wyspami" są galaktyki.
Charles Messier, 1781, opublikował pierwszy katalog mgławic.
Edward Pigott, John Goodricke, 1784, Pigott dostrzegł, że gwiazda eta Aquilae zmieniła jasność a Goodricke dostrzegł, że zmianom ulega także blask delta Cephei.
William Herschel, 1785, na podstawie statystycznego przeglądu gwiazd określił wielkość i kształt Drogi Mlecznej; doszedł do wniosku, że skupisko gwiazd, zwane Drogą Mleczną ma kształt owalu, którego długość jest 4 razy większa od szerokości; to było pierwsza w historii próba (dziś wiemy że błędna) określenia kształtu i wielkości Galaktyki na podstawie obserwacji astronomicznych a nie spekulacji filozoficznych czy religijnych; teoria Kanta potwierdziła się: Droga Mleczna ma kształt dysku; miejsce Słońca wypadało w pobliżu środka tego dysku; sądził że Droga Mleczna to jedyne skupisko gwiazd we Wszechświecie a mgławice są gwiazdami we wczesnych fazach swojego istnienia, a zatem tak jak wszystkie pozostałe gwiazdy należą do Drogi Mlecznej.
Pierre Simon de Laplace, 1796, wykorzystując mechanikę newtonowską jako pierwszy nadał formę naukową wcześniejszym filozoficznym spekulacjom Swedenborga i Kanta; obserwowane mgławice, które są formującymi się układami planetarnymi, powinny wirować; naśladowcy Swedenborga, Kanta i Laplace'a twierdzili, iż są one galaktykami, niezależnym systemami gwiazdowymi, leżącymi daleko poza Drogą Mleczną.
Friedrich Wilhelm Bessel, 1838, jako pierwszy dokonał pomiaru paralaksy trygonometrycznej gwiazdy (61 Cygni) dzięki czemu po raz pierwszy w historii dokonano bezpośredniego pomiaru odległości do gwiazdy (innej niż Słońce).
William Parsons, 1845, po zbudowaniu największego w XIX wieku teleskopu wykonał zdumiewająco szczegółowy szkic M51; udało mu się dostrzec spiralną strukturę mgławicy, tym samym odkrył mgławice spiralne.
William Huggins, 1864, dołączył do okularu teleskopu prosty spektroskop i uzyskał widmo mgławicy planetarnej Kocie Oko w gwiazdozbiorze Smoka (NGC 6543); po raz pierwszy w historii uzyskano widmo obiektu mgławicowego; kontynuując badania odkrył, że niektóre mgławice mają widma podobne do gwiazd, natomiast widma innych mgławic są takie same jak widma świecącego gazu ogrzanego przez źródło zewnętrzne np. zanurzone w nich gwiazdy; okazało się, że mgławica Kocie Oko to nie zbiorowisko gwiazd lecz świecący gaz; mógł to więc być gazowy obłok tuż przed przekształceniem się w gwiazdę; za sprawą Hugginsa teorię wszechświatów-wysp przestano uważać za realną hipotezę, uznając że została definitywnie obalona.
William Huggins, Margaret Huggins, 1868, odkryli przesunięcie doplerowskie w widmie Syriusza. Linie absorbcyjne Syriusza niewiele różniły się od linii obecnych w widmie Słońca, ale ich długości były większe o 0,015%; a zatem Syriusz oddala się od Ziemi z prędkością 45 km/s, gdyż zwiększenie długości fali wiąże się z oddalaniem źródła światła. Wzrost długości fali jest nazywany przesunięciem ku czerwieni, ponieważ barwa czerwona znajduje się w długofalowej części widma światła widzialnego. Podobnie skrócenie długości fali, spowodowane zbliżaniem się źródła, nazywane jest przesunięciem ku fioletowi. Małżonkowie udowodnili, że wykorzystując efekt Dopplera można mierzyć prędkości radialne gwiazd.
Henry Draper, 1872, jako pierwszy zarejestrował obraz widma gwiezdnego. Wdowa po nim sfinansowała badania nad klasyfikacją gwiazd, prowadzone przez Edwarda Pickeringa oraz Annie Jump Cannon. Wyniki ich obserwacji posłużyły do stworzenia katalogu, również nazwanego imieniem Henry'ego Drapera.
Henry Draper, 1880, jako pierwszy sfotografował obiekt pozasłoneczny – Wielką Mgławicę w Orionie.
Isaac Roberts, 1888, wykonał fotografię Wielkiej Mgławicy w Andromedzie (M31) ukazującą jej spiralną strukturę, pierwszy raz w historii. Sugerując się powszechnym wówczas poglądem, że obiekt ten jest tylko mgławicą wewnątrz Drogi Mlecznej, Roberts uznał M31 za tworzący się układ planetarny podobny do Układu Słonecznego.
Julius Scheiner, 1899, zarejestrował na płycie fotograficznej widmo mgławicy w Andromedzie (M31) (płyta zachowała się do dzisiaj); wyglądało ono jak światło wyemitowane przez ogromne zbiorowisko gwiazd. Był to silny argument na rzecz poglądu, że mgławice spiralne są skupiskami gwiazd. Być może sama Droga Mleczna jest również mgławicą spiralną, bardzo podobną do tej w Andromedzie.
James Edward Keeler, 1899, w tym czasie najlepszy w Stanach Zjednoczonych specjalista od obserwacji spektroskopowych. Wykonał kilka zdjęć mgławicy spiralnej M51, zwanej Mgławicą Wir. Na zdjęciu M51 otaczało siedem innych mgławic - mniejszych i słabiej świecących; wyłaniał się stąd obraz Wszechświata wypełnionego drobnymi mgławicami, z których znaczna część miała wyraźną strukturę spiralną. Rusza amerykański program badań mgławic spiralnych!
Williamina Fleming, 1899, katalogując gwiazdy do katalogu Drapera, w zespole kierowanym przez Edwarda Charlesa Pickeringa, odkryła gwiazdę zmienną RR Lyrae położoną w gwiazdozbiorze Lutni, znajdującą się w odległości ok. 854 lat świetlnych od Słońca; od niej wzięła nazwę cała grupa gwiazd zmiennych typu RR Lyrae. Średnia jasność absolutna gwiazd typu RR Lyrae jest w przybliżeniu stała i wynosi około 0,6 wielkości gwiazdowych. Własność tę wykorzystywano do określania odległości do gromad gwiazd, w których obserwowano gwiazdy tego typu.
Cornelius Easton, 1900, jako pierwszy przedstawił na rysunku przypuszczalny spiralny kształt Drogi Mlecznej.
Thomas Chrowder Chamberlin, Forest Ray Moulton, 1905, zaproponowali hipotezę powstania Układu Słonecznego, która była inna od powszechnie akceptowanej w XIX wieku hipotezy mgławicowej Laplace'a. Według Ch. i M. w odległej przeszłości w pobliżu Słońca przemieściła się gwiazda, która spowodowała wyrwanie z obłoku protosłonecznego fragmentów, z których uformowały się później składniki Układu Słonecznego. Ze względu na efekty grawitacyjne, które wywołuje przechodząca gwiazda powstają dwa ramiona spiralne wychodzące od centralnej gwiazdy. Jeśli zatem hipoteza ta jest słuszna to obserwowane „mgławice spiralne" mogą być innymi słońcami, wokół których zachodzą podobne procesy.
Karl Bohlin, 1907, zmierzył paralaksę Wielkiej Mgławicy w Andromedzie: 0,17”. Wartość ta odpowiada odległości do mgławicy: około 19 lat świetlnych. Pomiar potraktowano z zaufaniem traktując go jako jedyny do tej pory bezpośredni pomiar odległości do mgławicy spiralnej M 31.
Lewis Boss, William Wallace Cambell, Jacobus Cornelius Kapteyn, 1910, 1911, opublikowali prace, w których twierdzili, że prędkość gwiazd w przestrzeni jest funkcją ich typu widmowego. Zgodzili się, że wzrost prędkości następuje zgodnie z ogólnie przyjętym kierunkiem zmian typu widmowego gwiazdy gdy one się starzeją, a zatem prędkość ruchu gwiazdy wzrasta z jej wiekiem: gwiazdy młode mają małe prędkości, gwiazdy starsze mają prędkości duże.
Frank Washington Very, 1911, opublikował artykuł, w którym obliczył odległość do Mgławicy w Andromedzie (M31) dwoma metodami i stwierdził, że mgławice spiralne są galaktykami.
Maximilian Franz Joseph Cornelius Wolf, 1912, oszacował odległości do pięciu mgławic spiralnych o największych rozmiarach kątowych. Rezultaty wahały się od 33 000 do 370 000 lat świetlnych. Ponieważ Wolf przyjął, że Droga Mleczna ma około 1 000 lat świetlnych średnicy, więc wszystkie mgławice spiralne są galaktykami zewnętrznymi. Obliczenia Very'ego i Wolfa potraktowano jako istotne argumenty na rzecz koncepcji wszechświata wyspowego.
Henrietta Swan Leavitt, 1912, w trakcie prac nad katalogiem Drapera, w zespole kierowanym przez Edwarda Charlesa Pickeringa, odkryła i skatalogowała gwiazdy zmienne w Obłoku Magellana. Na tej podstawie odkryła zależność pomiędzy okresem cefeidy a jej jasnością absolutną: klucz do obliczania odległości we Wszechświecie. Aby jednak odkrycie to mogło być wykorzystane, trzeba było jeszcze zależność tę wykalibrować, to znaczy znaleźć jasność absolutną cefeid: przynajmniej jednej!
Ejnar Hertzsprung, 1913, wykorzystując metodę paralaksy statystycznej, określił odległość do kilku cefeid. Ocenił, iż cefeida o okresie zmian jasności 6,6 dni ma jasność absolutną równą -2,3. Na tej podstawie skalibrował odkrytą przez Leavitt zależność jasności (absolutnej) od okresu. Ponieważ na podstawie pomiarów Henrietty Leavitt cefeidy o takim okresie w Małym Obłoku Magellana mają jasność równą 13,0, czyli o 15,3 wielkości gwiazdowych mniejszą, oznaczało to, że są one w odległości około 37 000 lat świetlnych.
Vesto Melvin Slipher, 1912, w ciągu kolejnych nocy 11, 12 i 13 grudnia zarejestrował, na polecenie szefa obserwatorium Percivala Lovella, widmo (spektrogram) gromady otwartej w Plejadach. Po dokładnym omówieniu swoich obserwacji stwierdził w komunikacie z 20 grudnia: "... że Mgławica w Andromedzie i podobne do niej mgławice spiralne mogą składać się z centralnej gwiazdy otoczonej i zasłanianej przez pofragmentowaną i rozproszoną materię, która świeci światłem dostarczonych przez centralne słońce. [...] jest to także zgodne z pomiarami paralaksy wykonanymi [wcześniej] przez Bohlina.".
Vesto Melvin Slipher, 1912, w ciągu kolejnych nocy, 29, 30 i 31 grudnia (łącznie 40 godzin naświetlania płyty fotograficznej) zarejestrował widmo (spektrogram) wielkiej mgławicy w Andromedzie (M31) o jakości wystarczającej do pomierzenia przesunięcia linii widmowych. Interpretując to przesunięcie jako efekt Dopplera obliczył, że mgławica w Andromedzie pędzi ku Ziemi z szybkością 300 km/s. Pomierzone prędkości mgławic spiralnych nie pasowały do schematu rosnących prędkości dla starzejących się gwiazd, ponieważ jeśli są rodzącymi się układami planetarnymi powinny mieć małe prędkości!
Vesto Melvin Slipher, 1913, uzyskał spektrogram mgławicy M104, NGC 4594 (znajduje się w Pannie), w którym linie widmowe wskazywały na szybkość rotacji około 100 km/s. Według Sliphera jego badania NGC 4594 wskazywały, że mgławica obraca się i zauważył, że choć większość obserwatorów, począwszy od Laplace, sądziło, że mgławice powinny się obracać, to po raz pierwszy zjawisko to zostało potwierdzone obserwacyjnie. Potwierdzało to także zaproponowaną przez Laplace'a hipotezę powstawania układów planetarnych a mgławice spiralne są powstającymi układami planetarnymi.
Vesto Melvin Slipher, 1915, opublikował listę piętnastu pomierzonych dotąd prędkości radialnych mgławic spiralnych.
Albert Einstein, 1915, opublikował swoją relatywistyczną teorię grawitacji: Ogólną Teorię Względności (OTW).
George Frederic Paddock, 1916, podsumowuje dotychczasowe badania wskazując, że średnia prędkość radialna mgławic spiralnych mieści się w przedziale od 300 do 400 km/s. Nadal jednak nie wiadomo czy należą do Układu Słonecznego.
Adrian van Maanen, 1916, opublikował wyniki dotyczące zmian w mgławicy M101, określonych na podstawie fotografii wykonywanych w pewnym odstępie czasu. Ostatecznie doszedł do wniosku, że mgławica się obraca. A skoro tak, to trudno uwierzyć, że mamy do czynienia z odległą galaktyką o wielkiej średnicy; jeśli bowiem mgławica spiralna wiruje, zewnętrzne części hipotetycznej galaktyki musiałyby poruszać się z niewiarygodnie dużą prędkością. Postępując w podobny sposób dla M33 wywnioskowano, że odległość tego obiektu wynosi zaledwie 6 500 lat świetlnych, czyli leży on wewnątrz Drogi Mlecznej. Mimo pojawiających się wątpliwości jego przyjaciel Harlow Shapley uznawał ten wniosek.
Harlow Shapley, 1916, opublikował wyniki badań dotyczące gromady kulistej M 13. Zakładając, że nasz własny system galaktyczny ma średnicę nie więcej niż 10 000 lat świetlnych, a być może nawet mniej, obliczył, że M 13 jest odległa o około 100 000 lat świetlnych. Choć sądził M 13 nie jest ściśle porównywalna z naszą Galaktyką pod względem wielkości to jednak twierdził, jest to wyraźnym powodem przemawiającym za tym, że to i podobne skupiska gwiazd są bardzo odległymi systemami, różnymi od naszej Galaktyki. Innymi słowy, niektóre gromady kuliste są wyspami Wszechświata, jeśli nawet nie są tak duże jak nasza Galaktyka.
Harlow Shapley, 1916-1918, na podstawie badań przestrzennego rozkładu gromad kulistych opublikował cykl artykułów, w których wykazał, że Droga Mleczna jest gigantyczna, ma jakieś 300 000 lat świetlnych średnicy, a Słońce położone jest z dala od jej centrum, mniej więcej 65 000 lat świetlnych. Nie ma wielu wszechświatów, Nasza Galaktyka stanowi zasadniczo to co nazywamy Wszechświatem. Zauważył także, że cefeidy są położone blisko dysku Drogi Mlecznej, inaczej niż gwiazdy RR Lyrae, znajdujące się daleko od niego.
Vesto Melvin Slipher, 1917, opublikował prędkości radialne 25 mgławic spiralnych, 4 z nich ujemne, a 21 dodatnie. Staje się teraz bardziej otwarty na jedną z koncepcji dotyczących charakteru mgławic spiralnych: „Dawno już sugerowano, że mgławice spiralne są systemami gwiezdnymi widocznymi na dużych odległościach. Jest to tak zwana teoria „wyspowych wszechświatów", zgodnie z którą nasz układ gwiezdny i Droga Mleczna to wielkie mgławice spiralne, które widzimy od wewnątrz. Teoria ta, wydaje mi się, zyskuje uznanie w świetlne dzisiejszych obserwacji".
Heber Dust Curtis, George Willis Ritchey, 1917, odkryli, niezależnie od siebie, gwiazdy nowe w mgławicach spiralnych. Widome wielkości gwiazdowe dla nowych, okazały się bardzo słabe w porównaniu z jasnością gwiazd nowych w Drodze Mlecznej. Można stąd było wysunąć wniosek, że mgławice spiralne są sto razy odleglejsze i znajdują się daleko poza granicami Drogi Mlecznej.
Jacobus Cornelius Kapteyn, 1920-1922, opublikował wyniki zakrojonego na szeroką skalę program badań rozmieszczenia gwiazd w Drodze Mlecznej; pozwoliły na stworzenie modelu soczewkowatego Wszechświata (w tym czasie nie wiedziano, czym w istocie jest Droga Mleczna) o średnicy 50 tys. lat świetlnych, którego gęstość maleje z dala od centrum.
Ernst Julius Öepik, 1922, oszacował odległość do Wielkiej Mgławicy w Andromedzie (M31). Pomiaru dokonał wykorzystując nową metodę dzisiaj nazywaną metodą Tully-Fisher relation. Na podstawie obserwowanej prędkości obrotowej mgławicy, która zależy od całkowitej masy wokół której rotują gwiazdy i założeniu, że jasność na jednostkę masy jest taka sama jak dla naszej Galaktyki, doszedł do wniosku, że odległość do mgławicy M31 wynosi 450 kpc (1 467 900 lat świetlnych).
Edwin Powell Hubble, 1923, 4 i 5 października dostrzegł pierwszą gwiazdę zmienną w mgławicy spiralnej w Andromedzie (M31). Pierwsza gwiazda zmienna dostrzeżona w mgławicy spiralnej!
Edwin Powell Hubble, 1924, po zgromadzeniu wystarczających danych obserwacyjnych wykreślił krzywą zmian jasności pierwszej cefeidy znalezionej w wielkiej mgławicy (spiralnej!) w Adromedzie (M31). Znając tę krzywą, oraz wykorzystując kalibrację zależności okres-jasność cefeid dokonaną przez Shapleya w 1918 roku, mógł określić odległość do mgławicy: 275 kiloparseków (815 500 lat świetlnych). Była to pierwsza pomierzona odległość do mgławicy spiralnej! Przez kilka kolejnych miesięcy Hubble był jedynym człowiekiem na świecie, który wiedział jaka jest budowa Wszechświata: Wszechświat jest wyspowy.
Edwin Powell Hubble, 1924, luty, wysłał do Shapleya list informujący go o odkryciu cefeidy w mgławicy w Andromedzie (M31). Do listu dołączył wykreśloną krzywą zmian jasności cefeidy, która była podstawą do wyznaczenia okresu zmienności, jasności i ostatecznie odległości do cefeidy. W tym momencie Shapley był drugim człowiekiem, który wiedział, że Wszechświat jest wyspowy. Było to zaprzeczeniem jego własnego poglądu o Wszechświecie zawierającym tylko jedną galaktykę: Drogę Mleczną.
Edwin Powell Hubble, 1924, odnalazł gwiazdy zmienne – cefeidy w obiekcie mgławicowym NGC 6822 (Galaktyka Bernarda), pierwszym układzie znajdującym się poza Obłokami Magellana. Na podstawie okresu następowania zmian, który pozwolił obliczyć ich rzeczywistą jasność (Henrietta Leavitt!), Hubble określił, że NGC 6822 znajduje się w odległości 700 000 lat świetlnych – wielkość przekraczająca 300 000 lat świetlnych, którą wielu astronomów uważało do tej pory za całkowity wymiar Wszechświata.
Edwin Powell Hubble, 1925, 1 stycznia na odbywającym się w Waszyngtonie 33. spotkaniu American Astronomical Society H.N. Russell przedstawia referat Huble’a omawiający wyniki obserwacji cefeid w mgławicy M31. W sprawozdaniu ze spotkania zapisano: "... Dr. Hubble, working with the 100-inch Mount Wilson reflector, had succeeded in resolving portions of two of the spiral nebulae, those of Andromeda and Triangulum, into separate stars, and from a study of the period-luminosity curves of the Cepheid variabes in the nebulae had derived distances approaching one milion light years for each, thus bringing confirmation to the so-called island universe theory.". W ten sposób oficjalnie poinformowano o rozwiązaniu problemu: Wszechświat to tylko Droga Mleczna czy też Wszechświat to wiele galaktyk, systemów gwiazdowych podobnych do Drogi Mlecznej. Minęło: (1) 90 lat od odkrycia przez Williama Parsonsa mgławic spiralnych, (2) 25 lat od zainicjowania przez Jamesa Edwarda Keelera amerykańskiego programu badań mgławic spiralnych, (4) 13 lat od odkrycia przez Henriettę Swan Leavitt zależności okres-jasność dla Cefeid i (5) 13 lat od pierwszych dokonanych Vesto Melvina Sliphera pomiarów prędkości radialnych mgławic spiralnych. W spotkaniu tym uczestniczył Georges Lemaître odbywający naukową podróż po Stanach Zjednoczonych.
Teraz już wiemy, że Droga Mleczna jest tylko jedną z miliardów galaktyk, z których każda składa się z miliardów gwiazd. Wszechświat jest wyspowy!